Determinacion Gravimetrica de So3 en Yeso

DETERMINACION DETERMINA CION GRAVIMETRICA DE SO 3 EN YESO

Departamento de Química, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Nariño. Realizado 23 de Octubre de 2009; entregado 3 de Noviembre de 2009

RESUMEN

Se determinó la cantidad de SO 3 presente en una muestra de 0.540g de yeso comercial, para ello se empleó el método de análisis gravimétrico por precipitación, donde se utilizó como disolvente una solución de HCl 2M y como agente precipitante una solución de BaCl 2 0.5M. El porcentaje de SO 3 presente en la muestra se calculó a partir de la masa de BaSO 4 obtenida, en ello se encontró que este tuvo un valor de ------------------------------------------------Palabras

clave:

Análisis

gravimétrico

por

precipitación,

yeso,

SO 3,

BaCl2.

INTRODUCCION

Dentro del análisis químico cuantitativo, el cual engloba un conjunto de técnicas y procedimientos empleados para determinar y cuantificar la composición química de una sustancia, es muy importante resaltar los métodos gravimétricos de análisis, donde se determina la cantidad de una sustancia presente en una muestra, eliminando todas las sustancias que interfieren y convirtiendo el constituyente o componente deseado en un compuesto de composición definida, que sea susceptible de pesarse.

Existen cuatro métodos gravimétricos: 1. Los que se usan reactivos químicos para la precipitación. 2. Los que se usan electricidad para la precipitac precipitación ión (electrogravimetría). (electrogravimetría). 3. Métodos de volatilización. 4. Métodos de absorción.

Los más frecuentes son los que se usan reactivos químicos para la precipitación. La electrogravimetría es de poca utilización. Los de volatización son muy escasos, pero la

determinación de agua es factible aunque es un método no selectivo, solo sirve cuando la única sustancia volátil es el agua: es un método muy sencillo ya que solo requiere una pesada antes de volatilizar y otra después. La absorción se usa para la determinación de CO2 pero por lo demás es poco usada. Dado a que dentro de la práctica, se utilizó el método gravimétrico por precipitación, se enfatiza en su definición, así:

GRAVIMETRIA POR PRECIPITACION En este método, el analito se convierte en un precipitado poco soluble, que se filtra, se purifica, se convierte en un producto de composición conocida (mediante un tratamiento térmico), y finalmente se pesa [1].  A continuación, se enumeran algunas características a tener en cuenta en cada uno de los pasos mencionados, así: La preparación de la muestra muchas veces no requiere de tratamiento, pero cuando la mezcla es sólida hay que disolverla (por vía seca o húmeda).

Adición del reactivo precipitante El reactivo se debe añadir lentamente y agitando con el objetivo de obtener cristales grandes. Siempre se debe añadir un exceso del agente precipitante para disminuir la solubilidad por la presencia del ion común. Filtración Se separa el precipitado del resto de la solución, mediante papel filtro, también conocido como papel gravimétrico. Lavado Se realizan varios lavados, para eliminar posibles impurezas presentes en la muestra. Esta es la fase más delicada de la gravimetría. El líquido o solución con el que se hacen los lavados, no debe ser volátil, no debe aumentar la superficie del precipitado y tampoco debe transformar el precipitado en coloide que pueda atravesar el papel filtro. Algunas disoluciones de lavado no volátiles son: agua, disolventes orgánicos, ácidos y sales aniónicas y NH3 como único álcali utilizable. Soluciones que no aumentan la superficie del

precipitado son: el agua y disolventes orgánicos (acetona, etanol y alcoholes de peso molecular elevado), entre otros. Calcinación Por último, se calcina el analito (es el proceso de calentar una sustancia a temperatura elevada), por debajo de su entalpía o punto de fusión, para provocar la descomposición térmica o de forma general, un cambio de estado en su constitución física o química. Los objetivos de la calcinación suelen ser: * Eliminar el agua, presente como humedad absorbida, «agua de cristalización» o «agua de constitución». * Eliminar el dióxido de carbono, el dióxido de azufre u otro compuesto orgánico volátil. * Para oxidar (calcinación oxidante) una parte o toda la sustancia (usado comúnmente para convertir menas sulfurosas a óxidos en el primer paso de recuperación de metales como el zinc, el plomo y el cobre). * Para reducir (calcinación reductora) metales a partir de sus menas (fundición) [2]. Teniendo en cuenta que la determinación y cuantificación de SO 3 se efectuó en una muestra de yeso, es necesario precisar previamente algunas de sus características, ya que ello contribuye al desarrollo del pertinente análisis, así:  YESO Es un producto preparado básicamente a partir de una piedra natural denominada aljez, mediante deshidratación, al que puede añadirse en fábrica determinadas adiciones de otras sustancias químicas para modificar sus características de fraguado, resistencia, adherencia, retención de agua y densidad. Una vez amasado con agua, puede ser utilizado directamente. También, se emplea para la elaboración de materiales prefabricados. El yeso, como producto industrial, es sulfato de calcio hemihidrato (CaSO4·½H2O), también llamado vulgarmente "yeso cocido". Se comercializa molido, en forma de polvo. Una variedad de yeso, denominada alabastro, se utiliza profusamente, por su facilidad de tallado, para elaborar pequeñas vasijas, estatuillas y otros utensilios.

Estado natural En estado natural el aljez, piedra de yeso o yeso crudo, contiene 32.6% de CaO, 46.5% SO3 y 20,9% de agua y es considerado una roca sedimentaria, incolora o blanca en estado puro, sin embargo, generalmente presenta impurezas que le confieren variadas coloraciones, entre las que se encuentra la arcilla, óxido de hierro, sílice, caliza, etc. En la naturaleza se encuentra la anhidrita o karstenita, sulfato cálcico, CaSO4, presentando

una estructura compacta y sacaroidea, que absorbe rápidamente el agua, ocasionando un incremento en su volumen hasta de 30% o 50%, siendo el peso específico 2,9 y su dureza es de 2 en la escala de Mohs. También se puede encontrar en estado natural la basanita, sulfato cálcico semihidrato, CaSO4·½H2O, aunque raramente, por ser más inestable. Usos Es utilizado profusamente en construcción como pasta para guarnecidos, enlucidos y revoques; como pasta de agarre y de juntas. También es utilizado para obtener estucados y en la preparación de superficies de soporte para la pintura artística al fre sco. Prefabricado, como paneles de yeso, para tabiques, y escayolados para techos. Se usa como aislante térmico, pues el yeso es mal conductor de calor y electricidad, para confeccionar moldes de dentaduras, en odontología, para usos quirúrgicos en forma de férula para inmovilizar un hueso y facilitar la regeneración ósea en una fractura, en los moldes utilizados para preparación y reproducción de esculturas, en la elaboración de tizas para escritura, en la fabricación de cemento, etc. METODOLOGIA Preparación de la muestra

Se pesó exactamente 0.540g de yeso en un vaso químico de 400mL, se agregó 50mL de HCl 2M y se llevó a ebullición. A continuación, se adicionó 100mL de agua caliente y se continuó calentando por 5 minutos más. Se filtró rápidamente en papel franja negra y se lavó 5 veces con porciones de 5mL de agua caliente, recogiendo el filtrado y las aguas de lavado en el mismo vaso.

Precipitación El filtrado obtenido anteriormente, se calentó hasta ebullición y se agregó lentamente sobre este, 20mL de BaCl 2  0.5M, se agito y se dejó reposar por 3 horas aproximadamente. Posteriormente, se comprobó que la precipitación haya sido completa adicionando una gota de BaCl2 por las paredes del vaso.

Filtración Se filtró convencionalmente el precipitado formado en papel franja azul y se lavó 15 veces con porciones de agua fría hasta la ausencia de cloruros.

Calcinación Durante media hora se calcino un crisol de porcelana limpio y seco, en una mufla a 900ºC, se dejó enfriar y se pesó. Posteriormente, sobre el crisol ya preparado, se colocó el precipitado obtenido anteriormente junto con el papel filtro, se llevó a un calentador eléctrico hasta carbonizar el papel, evitando la formación de llama. Luego, se calcino en una mufla a 900ºC durante una hora. Finalmente se dejó enfriar en un desecador y se pesó.

RESULTADOS Y ANALISIS

En primer lugar, para la determinación de trióxido de azufre presente en la muestra de yeso industrial, se pesó exactamente 0.540g de dicha muestra y se agregó 50mL de HCl 2M. En este proceso se evidencio la aparición de una efervescencia que se mantuvo durante los 10 primeros mL de HCl adicionados. Dicha efervescencia se puede explicar teniendo en cuenta que la muestra de yeso industrial no es completamente pura ya que, en su fabricación pueden llevarse a cabo adiciones de otras sustancias químicas para modificar sus características de fraguado, resistencia, adherencia, retención de agua y densidad, así, es posible que dentro de su composición se hayan encontrado carbonatos, que al reaccionar con el HCl adicionado formaron acido carbónico, cuya descomposición origino agua y CO 2  gaseoso correspondiente a la efervescencia. Así: CaCO3(s) + 2HCl(ac) →  CaCl2(ac) + CO2(g) + H2O(l)

Una vez adicionado el HCl, se llevó la solución formada a calentamiento hasta ebullición, se agregó 100mL de agua caliente y se continuó con el calentamiento a ebullición por 5 minutos más. Con este proceso se buscó disolver los sulfatos presentes en la muestra como CaSO4.1/2H2O, que es insoluble en agua. Así, el HCl cumplió con varias funciones: en primer lugar, al ser utilizado como disolvente, produjo la disociación de los iones del compuesto, rompiendo la red tridimensional que estos formaban en el sólido. Por otra parte, generó el medio acido para obtener un precipitado más adecuado (de grano grueso, fácil de filtrar), evito la posible precipitación de las sales de bario de aniones como CO 3-2, PO4-3 o CrO4-2, los cuales son insolubles en medio neutro o básico, y además evitó la coprecipitación de Ba(OH) 2. Una vez realizado el anterior procedimiento, se filtró inmediatamente la solución en papel filtro franja negra y se lavó cinco veces con agua caliente (recogiendo el filtrado y las aguas de lavado en el mismo beaker), con el objetivo solubilizar totalmente los sulfatos de la muestra, asegurando su recolección cuantitativa en el filtrado, además de eliminar (o retener en el papel filtro) las posibles impurezas presentes durante el proceso.

Posteriormente, el filtrado obtenido se calentó hasta ebullición y se agregó cuidadosamente 20mL del reactivo precipitante BaCl 2 0.5M (reactivo en exceso); en este procedimiento, la solución se tornó turbia de color blanco, con la presencia de una suspensión cristalina temporal; que al dejarla en digestión o en contacto con las aguas madres, por más de una hora precipito totalmente. En la digestión el precipitado de BaSO 4 pierde el agua débilmente adherida y como resultado se obtiene una masa más densa y pura que se filtra con mayor facilidad.  Además, se encontró que la precipitación del sulfato de bario se ve favorecida por él bajo grado de la sobresaturación relativa (generado por la adición lenta del reactivo precipitante y la agitación), donde el proceso de crecimiento de las partículas predomino sobre el proceso de nucleación (donde se junta un número mínimo de átomos, iones o moléculas para dar una partícula solida estable) permitiendo así, su sedimentación. Por otra parte, se encontró que dentro de la precipitación del analito, pudieron presentarse fenómenos simultáneos como la coprecipitación (adsorción en la superficie, formación de cristales mixtos, oclusión, atrapamiento mecánico), donde los compuestos que son normalmente solubles, son separados de la solución por el precipitado, lo cual puede generar errores en la medida de la masa final, por lo tanto, para obtener resultados más exactos y evitar fenómenos como adsorción en la superficie, formación de cristales mixtos, oclusión ò atrapamiento mecánico; se tuvo en cuenta aspectos como la cinética del crecimiento del cristal en la adición lenta del reactivo precipitante y el medio de reacción, que al ser acido evito la formación de partículas sólidas no deseadas. La ecuación química que representa la reacción de precipitación, es la siguiente: Ca+2(ac) + SO4-2(ac) + BaCl2(ac) →  BaSO4(s)  + CaCl2(ac)

La Kps (Kps = [Ba +2] [SO4-2]) del BaSO4 es 1.1x10 -10 lo cual ratifica su baja solubilidad en agua, donde las fuerzas intermoleculares presentes en el BaSO 4  son muy fuertes (alta energía reticular), razón por la cual se formó el precipitado insoluble susceptible de pesar. De forma general, se puede decir que el precipitado obtenido, se formó a partir de tres etapas fundamentales: nucleación, crecimiento y envejecimiento. Durante la etapa de la nucleación, se produjo la formación de cristales pequeños, se supone que el número de cristales queda definido en esta etapa. Una vez formados los núcleos, el material en solución se deposita en la etapa de crecimiento sobre ellos y no se forman nuevos núcleos luego de esta etapa. En consecuencia también el tamaño promedio de las partículas se definiría en esta etapa, grande si se formaron pocos núcleos o pequeño si los núcleos fueron muchos. Durante la etapa de crecimiento, el material de la solución sobresaturada se depositó sobre los núcleos preexistentes hasta alcanzar cristales de tamaño macroscópico; idealmente, en esta etapa no se formaron nuevos núcleos. El crecimiento de los núcleos es un proceso

complejo: los iones no se depositan al azar sobre la superficie del cristal, deben respetar las secuencias del retículo. En primer lugar, los iones deben alcanzar la superficie del sólido por difusión desde el seno de la solución, y luego se irán incorporando ordenadamente al retículo. Por último, en la etapa de envejecimiento, el sólido recientemente precipitado se deja por algún tiempo en contacto con la solución a partir de la cual se obtuvo ("aguas madres"). En esta etapa, se forman cristales más grandes y regulares que son más fácilmente filtrables y también más puros. El envejecimiento, incluye cambios estructurales de diversos tipos que sufre un precipitado luego de su formación [4]. Una vez obtenido BaSO 4 sólido, se filtró en papel franja azul y se realizaron 15 lavados hasta la ausencia de cloruros. Los lavados fueron realizados con el objetivo de eliminar las impurezas presentes en el precipitado; en este caso, el líquido con el que se realizaron los lavados, fue simplemente agua (la cual no es volátil), por lo que no se afectó en el aumento de la superficie del precipitado y tampoco transformo el precipitado en coloide que pudiera atravesar el papel filtro. Para determinar la ausencia de cloruros que pudieron haber interferido en el peso real de la muestra, a partir del décimo lavado, se realizaron pruebas con AgNO 3, en donde si al adicionar este reactivo al agua de lavado, se enturbecia (color blanco), se infería la presencia de cloruros, debido al AgCl formado, Asi:  AgNO3(ac) + HCl(ac) → 

AgCl(s) +

HNO3(ac) (4)

Por lo tanto fue necesario determinar la ausencia de estos para que su presencia no interfiriera con el peso real de la muestra, razón por la cual se continuaron haciendo lavados hasta que tras la adición de AgNO 3, al lavado, la solución permaneciera incolora. Finalmente, se dobló de forma adecuada el papel filtro que contenía la muestra y se introdujo en un crisol (previamente preparado), se llevó a un calentador eléctrico con el objetivo de carbonizar el papel filtro. Posteriormente, se llevó a calcinación en una mufla a 900ºC durante una hora, con lo cual se buscó que el precipitado cristalino de BaSO4 eliminara el posible exceso de agua e impurezas presentes en el, además de adquirir una composición definida. El BaSO4, cuando está puro, se descompone a 1400 ºC. Puede ser reducido por el carbón formado por ignición incorrecta del papel de filtro, así: BaSO4 + 4C → BaS + 4CO↑ Una vez calcinado el BaSO 4, se pesó el crisol, que contenía la muestra, y a partir de su masa dada por la diferencia de pesos del crisol vacío y el crisol + muestra, se calculó el porcentaje de SO 3 presente en la muestra de yeso industrial tomada inicialmente, que se

asumió como 100% en CaSO 4 .1/2H2O, debido a que es la correspondiente a una muestra de yeso industrial que ha sido tratada según lo reportado en la literatura. Usos del yeso Es utilizado profusamente en construcción como pasta para guarnecidos, enlucidos y revoques; como pasta de agarre y de juntas. También es utilizado para obtener estucados y en la preparación de superficies de soporte para la pintura artística al fresco. Prefabricado, como paneles de yeso, para tabiques, y escayolados para techos. Se usa como aislante térmico, pues el yeso es mal conductor de calor y electricidad, para confeccionar moldes de dentaduras, en odontología, para usos quirúrgicos en forma de férula para inmovilizar un hueso y facilitar la regeneración ósea en una fractura, en los moldes utilizados para preparación y reproducción de esculturas, en la elaboración de tizas para escritura, en la fabricación de cemento, etc.

ANÁLISIS CUANTITATIVO

Tabla Nº1: Datos experimentales Peso papel filtro | 1.091g | Peso crisol | 16.905g | Peso crisol + muestra | 17.439g | Peso precipitado calcinado | 0.534g | La ecuación global que representa la precipitación del sulfato de bario es la siguiente: CaSO4.2H2O

+ BaCl2

→  BaSO4↓ +

CaCl2

+ 2H2O

Determinación de reactivo limitante Como fue necesario agregar un exceso de BaCl 2, se tiene entonces que el reactivo que limito la reacción es el CaSO 4.1/2H2O. Por lo tanto: Moles de CaSO 4.1/2H2O que van a reaccionar 0.540g CaSO4.2H2O * (1mol CaSO 4.1/2H2O / 145.2g CaSO 4.1/2H2O) = 3.72x10-3mol CaSO4.1/2H2O PORCENTAJE TEORICO DE SO3 EN LA MUESTRA DE YESO INDUSTRIAL 0.540g CaSO4.1/2H2O * (1mol CaSO4.1/2H2O / 145.2g CaSO 4.1/2H2O)*

(1molBaSO4 / 1molCaSO4.1/2H2O) * (233.4g BaSO 4 / 1mol BaSO 4) = 0.868g BaSO 4  Ahora, para determinar el porcentaje teórico de SO 3, se sigue la siguiente fórmula: %SO3 = P * FW * 100 En donde: P = Peso del precipitado calcinado. F = Factor gravimétrico del BaSO 4 a SO3. W = Peso de la muestra. Teniendo en cuenta que el factor gravimétrico es la relación de uno o más pesos atómicos (o pesos formula) de una sustancia a uno o más pesos atómicos (o pesos formula) de otra sustancia a través de una sustancia que los relaciona, se tiene que: Masa molar SO3 / Masa molar BaSO 4 = 80.064 / 233.404 = 0.3430  Así, el peso del SO3 en el BaSO 4 es: Peso de BaSO 4 * Factor gravimetrico Peso SO3 = 0.534g BaSO 4 * 0.3430 Peso SO3 = 0.183g SO 3  Así: %SO3 = 0.868g * 0.3430 / 0.540g * 100 %SO3 = 55.16% PORCENTAJE EXPERIMENTAL DE SO3 EN LA MUESTRA DE YESO INDUSTRIAL %SO3 = 0.534g * 0.3430 / 0.540g *100 %SO3 = 33.92% Porcentaje de rendimiento % de rendimiento = (0.534g BaSO 4 / 0.868g BaSO 4) * 100% % de rendimiento = 61.52%

De acuerdo al porcentaje de rendimiento obtenido, se puede concluir que posiblemente, la muestra de yeso industrial analizada no se encontraba totalmente pura, además es probable que se haya presentado perdida de muestra durante todo el proceso de la obtención de BaSO4, dando con ello un bajo porcentaje de rendimiento

DEDUCCION DE LA FORMULA PARA CALCULAR EL %SO3 EN LA MUESTRA: 0.534g BaSO 4 * 1mol BaSO 4 / 233.4g BaSO 4 * 1mol SO3 / 1mol BaSO 4 * 80.1gSO3 / 1mol SO3 = 0.1833g SO 3 Como se sabe que la cantidad inicial tomada de muestra que es 0.540g corresponde al 100%, entonces el %SO 3 presente en esta será de: 0.1833g SO 3 / 30.540g CaSO 4.1/2H2O * 100= 33.92%

CONCLUSIONES

Una vez realizada la práctica se puede concluir que la aplicación del análisis gravimétrico, a pesar de ser desplazado por métodos volumétricos primero y luego por métodos instrumentales, conserva la ventaja de ser un método absoluto, es decir que la determinación no necesita de patrones de comparación. Cabe resaltar además que el método gravimétrico más utilizado es aquel en el cual se utiliza un reactivo precipitante por medio del cual, precipita una sustancia muy poco soluble la cual está relacionada (directa o indirectamente) con el compuesto a analizar (analito), en este caso SO 3/BaSO4, en donde para determinar la cantidad de SO 3  en la muestra de yeso comercial, se utilizó el factor gravimétrico entre las dos sustancias.

BIBLIOGRAFIA

[1]: SKOOG D. HOLLER J., Fundamentos de Química Analítica. Mc Graw-Hill. Volumen 1. 2001. Capitulo 4. Pp: 70. [2]: GARCIA Mª J. COLOM Mª F. JARAMILLO J. Manual del Auxiliar de Laboratorio. Temario Ebook. Editorial MAD. Segunda Edición. 2003. España. Pp: 357-358. [3]: FLASCHKA H.A., BARNARD, Jr. A. J., STURROCK P. E. Quimica Analitica Cuantitativa, Introducción a los Principios. Compañía Editorial Continental, S. A. Primera Edición. Volumen 1. 1973. México. Capítulo 6. Pp: 75 [4]: MÉTODOS GRAVIMÉTRICOS. La Formación y Propiedades de los Precipitados. Capítulo 12. Pp: 7-1,7-2, 7-3.